지구표층환경의 변화를 가져온 슈퍼플룸에 대해서

오늘은 지구표층환경의 변화를 가져온 슈퍼플룸 현상에 대해서 알아보고 지구대륙의 성장에 대한 이야기를 하고자 합니다. 지구는 상부맨틀과 하부 맨틀의 경계에서 축전된 해양판이 외핵으로 낙하하여 콜드플룸을 생성하고, 이에 따라 외핵이 상승하는 핫슈퍼플룸이 일어났습니다. 

 

 

대륙지각의 성장과 형성

먼저 지구대륙의 성장은 맨틀대류에서 시작합니다. 약 19억 년 전 이전에는 맨틀 대류가 상부 맨틀과 하부 맨틀로 나뉘어 이루어졌다고 지구과학자들은 추정하고 있습니다. 초기  지구의 대륙은 바다 가운데 섬들이 점점이  나열된 호상열도의 형태였습니다. 해양판은 약 1,000개 정도의 작은 판으로 나뉘어 초기대륙 아래로 빠른 속도로 섭입되었습니다.

 

 

 

원생대 이전의 지구 맨틀은 현재보다 온도가 약 300도 이상 높았다고 추정하고 있습니다. 두께 30킬로미터 정도로 섭입된 해양판은 높은 맨틀 온도 때문에 섭입과 동시에 부분적으로 용융되어 대륙판 아래에 첨가 되었습니다.  해양판이 섭입 과정이 반복되면서 마그네슘 함량이 높은 마그마가 굳어져 대륙지각이 형성되었고 250킬로미터 두께의 단단한 대륙 중심부 영역이 존재하게 되었습니다. 

 

콜드플룸(Cold plume) 과 핫슈퍼플룸(Hat super plume)

대륙 중심부 영역이 형성되는 과정에서 대륙의 단단한 심에 해당하는 지질 구조를 강괴(craton)라고 합니다. 현재 지구에는 약 20억 년 전 이전에 생성된 강괴가 30개 정도 존재합니다. 19억 년 전 이후 지구 맨틀이 서서히 식었기 때문에 해양 지각은 대륙지각으로 섭입되는 과정에서  용융되지  않았습니다. 오히려 맨틀 아래로 더 깊이 내려가 670킬로미터 지점에서 축적되었습니다. 해양지각이 섭입되어 1억~ 4억 년 주기로 쌓이는 지하 670킬로미터 지점을 기준으로 상부 맨틀과 하부 맨틀로 구분됩니다. 

 

 

 

상부 맨틀과 하부 맨틀의 경계 지역에 수억 년 동안 축적된 해양판 잔류물의 무게가 임계치에 도달하면 일시에 외핵으로 낙하합니다.  이렇게 낙하하는 대규모 해양판 잔류물들은 상대적으로 온도가 낮아서 이를 콜드플룸이라합니다. 그리고 콜드플룸이 외핵의 표층으로 낙하하면 액체 상태의 외핵이 유동하여 다른 쪽으로 거대한 마그마의 상승 흐름을 일으키는데 , 이것을 핫 슈퍼플룸이라 합니다.

 

 

온통자바 해양대지(Ontong Java Plateau)의 탄생

현재 지구의 아시아 대륙 아래에는 하강하는 콜드플룸이 존재하고, 아프리카 대륙 아래에는 상승하는 거대 핫플룸이 있습니다. 상승하는 거대 플룸의 영향으로 약 300만 년 전부터 홍해가 생성되었고, 동아프리카 지구대는 계속 분열하여 새로운 바다가 생겨날 수 있었습니다.

 

 

외핵에서 출발한 거대한 슈퍼플룸은 19억 년 전부터 시작되었으며 원생대에서 신생대까지 대륙의 이동에 결정적인 역할을 했습니다. 현재 지구과학이론은 대륙판과 해양판의 이동에 관한 판구조 이론과 외핵에서 상승하는 슈퍼플룸이론이 결합하여 지각 판들의 움직임을 지구 전체의 관점에서 설명하고 있습니다.

 

원생대  이후부터 신생대까지 약 5억 년 주기의 초대륙 생성과 분열도 슈퍼플룸의 주기적 상승 작용에서 생겨난다고 추정됩니다.  온통자바 해양대지(Ontong Java Plateau) 는 1억 2000만 년 전 중생대 백악기에 태평양에서 발생한 거대한 슈퍼플룸의 분출로 해양 바닥에서 현무암 홍수가 일어나 만들어진 융기 지형입니다.

 

남극 대륙 빙하의 소멸 사건

 

해양바닥에서 범람하는 현무암의 분출이 원인이 되어 이산화탄소가 대규모로 대기로 방출됨으로써 해양 무산소 상태ocean  anoxinic event(OAE) 가 되었습니다.

 

 

따라서 중생대에는  해양과 대륙에 여러 차례 슈퍼플룸에 의한 현무암 홍수사건이 일어나 대기 중의 이산화탄소 농도가 신생대의 약 다섯 배나 되었습니다. 중생대의 높은 이산화탄소 농도는 온실효과를 가속시켜 중생대 2억 년간 남극 대륙에는 빙하가 없었으며 해수면이 현재보다 거의 200미터나 상승하여 지금의 아프리카 대륙만 한 면적의 육지가 바다에 잠기게 되었습니다.

 

오늘은 지구과학에서 슈퍼플룸의 표층환경에 변화에 미친 영향들에 대해 알아보았습니다.